浅析水轮发电机组稳定性

浅析水轮发电机组稳定性

摘要：本文分析了影响水轮发电机组稳定性的几方面因素，引起机组振动的原因，以及如何增强器稳定性。

关键词：水轮发电机振动稳定性

一、影响机组稳定性的因素

1、机械方面振动

影响因素：动不平衡，轴系失稳，部件或支撑松动，导轴承憋劲，轴弯曲，定转子碰磨等。判断方法：变转速、模态试验，根据频谱图、时域图、轴承温度等判断。解决方法有配重、加固、盘车等。

2、电气方面振动

影响因素：转子磁极短路，转子（定子）圆度超标，定子鉄芯松动，定子机座松动等。判断方法：变励磁试验，根据频谱图、时域图判断。解决方法有消除电气缺陷，重新整圆，拉紧螺杆，加固等。

3、水力方面振动

影响因素：水力失衡，低频蜗带，汽蚀，流道水体共振，叶道涡，卡门涡等。判断方法如变负荷试验，根据振动和水压脉动频谱分析。其解决方法常可以采用诸如补气、避振、改变补气方式、改变转轮或导水机构设计、叶片修型等。

二、引起水力发电机组振动的原因

1.空载无劢

通常表现为振动强度随转速增高而增大；在低速时也有振动，其可能原因主要有以下几方面：1）发电机转子或水轮机转轮动不平衡；2）轴线不直；中心不对；推力轴承轴瓦调整不当；主轴联接法兰连接不紧；3）与发电机同轴的励磁机转子中心未调好；4）水斗式水轮机喷咀射流与水斗的组合关系不当；5）转轮叶片数与导叶数组合不当。针对以上问题，我们可以采取以下措施来处理：1）动平衡试验，加平衡块，消除不平衡；2）调整轴线和中心，调整推力轴瓦；3）调整励磁机转子中心；4）改善组合关系；5）改善组合关系。

2.空载带励

主要表现为：1）振动强度随励磁电流增加而增大；2）逐渐降低定子端电压，振动强度也随之减小；3）在转子回路中自动灭磁，振动突然消失。其原因有1）

转子线圈短路；2）定子与转子的气隙有很大不对称或定子变形；3）转子中心与主轴中心偏心。针对以上问题，可以采取：1）用示波器测出线圈短路位置并进行处理；2）停机调整气隙间隙。气隙的最大值或最小值与平均值之差不应超过10%；3）如偏心很大时，需用调整定子与转子中心的方法予以消除等手段予以处理。

3.空载或带负荷（高水头混流式水轮机）

空载或带负荷主要表现为机组在任何导叶开度下都有摆度，但与负荷和转速无关。振幅可能在几秒钟或几小时后增大，其可能原因通常为转动部件与固定部件碰撞，例如止漏环迷宫间隙偏小。对此问题的处理通常采取增加止漏环迷宫间隙，使不小于0.001D（D为止漏环的直径），如相碰撞，应校正主轴轴线。

4.空载或带负荷

空载或带负荷的振动特征通常表现为：首先，主轴摆度或振动与转速无关。当负荷增加后，摆度或振动有所降低。这主要是由于机组主轴轴线不正；推力轴承轴瓦不平整，处理方式是调整轴线；校正轴瓦。其次是振动强度随转速和负荷增加成正比增大，其原因往往是多方面的，如转轮轮缘上突出部件布置不对称，消除方法可以采取刮去突出部件或用盖板遮盖，使其平滑过渡；2）清除堵塞物；3）调整修理止漏环4）加固支承结构等等。最后还有一种振动特征是在所有工况下主轴摆度都大，这通常是由于瓦隙过大，或主轴折曲，或机架松动，可以采取在开停机过程中越过此振动区；改变结构的固有振动频率。

三、增强水轮发电机组稳定性的因素

（一）改善水轮机的水力设计

翼型的空化和空蚀是水轮机空化和空蚀的主要类型之一，而翼型的空化和空蚀与很多因素有关，诸如翼型本身的参数、组成转轮翼栅的参数以及水轮机的运行工况等等。

就翼型设计而言，要设计和试验空化性能良好的转轮。一般考虑两个途径：一种是使叶片背面压力的最低值分布在叶片出口边，从而使汽泡的溃灭发生在叶片以外的区域，可避免叶片发生空化和空蚀破坏。若改变转轮的叶型设计，就可使汽泡溃灭和水流连续性的恢复发生在叶片尾部之后，这样就可避免对叶片的严重破坏。实践证明，叶型设计得比较合理时，可避免或减轻空化和空蚀。

因此在水轮机选型设计时，要合理确定水轮机的吸出高度，水轮机的比转速，空化系数。比转速越高，空化系数越大，要求转轮埋置越深，选型经验表明，这三个参数应最优配合选择。对于在多泥砂水流中工作的水轮机，选择较低比转速的转轮、较大的水轮机直径和降低值将有利于减轻空蚀和磨损的联合作用。

（二）改善运行条件并采用适当的运行措施

水轮机的空化和空蚀与水轮机的运行条件有着密切的关系，而人们在翼型设计时，只能保证在设计工况附近不发生严重空化，在这种情况下，一般而言，不会发生严重的空蚀现象。但在偏离设计工况较多时，翼型的绕流条件、转轮的出流条件等将发生较大的改变，并在不同程度上加剧翼型空化和空腔空化。因此，合理拟定水电厂的运行方式，要尽量保持机组在最优工况区运行，以避免发生空化和空蚀。对于空化严重的运行工况区域应尽量避开，以保证水轮机的稳定运行。

在非设计工况下运行时，可采用在转轮下部补气的方法，对破坏空腔空化空蚀，减轻空化空蚀振动有一定作用。目前中小型机组常采用自然补气和强制补气两种方法。

四、结语

水轮机的振动是电气、机械、流体等多种原因引起的。往往几种振源同时存在，因此我们务必要进行综合分析比较，分辨引起振动的主要因素，最大限度的减少振动，提高水轮发电机组的稳定性。

参考文献：

1.范学民；万家寨水电站4~#水轮发电机稳定运行分析[J]；电力学报；2005年04期

2.李进博；密封间隙对混流式水轮机稳定性影响的数值模拟[D]；西安理工大学；2009年

3.李辉；水力机组无线振动监测及支持向量机故障诊断系统研究[D]；西安理工大学；2009年